BR0107842B1 - fluid processing system. - Google Patents

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Abstract

A column apparatus containing a shallow bed of material between fluid transporting fractals of large active surface area results in highly efficient processing with small equipment size.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMADE PROCESSAMENTO DE FLUIDO".Report of the Invention Patent for "FLUID PROCESSING SYSTEM".

CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

Muitos processos de fluido operam pela passagem de fluidosatravés de leitos de material. Esses processos incluem cromatografia, trocade íon, adsorção, reação catalítica, etc. Esta invenção é dirigida a essesproblemas em geral.Many fluid processes operate by passing fluids through material beds. These processes include chromatography, ion exchange, adsorption, catalytic reaction, etc. This invention is directed to such problems in general.

TÉCNICA ANTERIORPREVIOUS TECHNIQUE

Os processos de fluido, caracteristicamente, apresentam limitesseveros quanto à operação, devido à perda de pressão do leito, à cinética ea uniformidade do fluxo. Esses limites são impostos, por exemplo, na produ-tividade, na eficiência do processo, no uso da energia, no tamanho do siste-ma, na compatibilidade ambiental e em custos de capital / operação.Fluid processes characteristically have severe limitations on operation due to loss of bed pressure, kinetics and flow uniformity. These limits are imposed, for example, on productivity, process efficiency, energy use, system size, environmental compatibility and capital / operating costs.

Como um exemplo de como estes limites ocorrem, a vazão atra-vés de um leito pode ser restringida porque conforme a vazão aumenta, aperda de pressão do leito aumenta. A perda de pressão pode atingir um pon-to em que a classificação de pressão de uma coluna contendo o leito podeser excedida, o leito pode começar a se comprimir de forma inaceitá-vel, aspartículas do leito podem ser destruídas e uma energia excessiva pode serrequerida para uma operação. Claramente, este efeito impõe limites sobre aprodutividade (limites de vazão) e no projeto da célula e nos custos (umapressão mais alta requer uma resistência estrutural adicional).As an example of how these limits occur, the flow through a bed may be restricted because as the flow increases, the pressure of the bed increases. Pressure loss can reach a point where the pressure rating of a column containing the bed may be exceeded, the bed may begin to unacceptably compress, the bed particles may be destroyed and excessive energy may be required. for an operation. Clearly, this effect imposes limits on productivity (flow limits) and cell design and costs (higher pressure requires additional structural strength).

Como um outro exemplo, velocidades lineares altas podem re-sultar em uma interação ou uma reação inaceitavelmente ruim de um fluidocom o material do leito. Isto é, as exigências cinéticas do sistema são auto-limitantes. Uma velocidade linear excessivamente alta de um fluido atravésde um leito resultará em um tempo de contato insuficiente do fluido com aspartículas do leito. Claramente, isso impõe limites sobre a produtividade.As another example, high linear velocities can result in an unacceptably bad interaction or reaction of a fluid with the bed material. That is, the system's kinetic demands are self-limiting. Excessively high linear velocity of a fluid through a bed will result in insufficient fluid contact time with the bed particles. Clearly, this imposes limits on productivity.

(Novamente, a vazão é limitada.)(Again, flow is limited.)

Espalhar um leito em uma geometria larga (seção transversalgrande), rasa (profundidade rasa ou trajetória de curso curta) ao invés deuma geometria alta (trajetória de curso longa) e estreita (seção transversalrelativamente pequena transversal à direção de fluxo) reduzirá a perda depressão do leito e a velocidade linear de um fluido passando através do leito.Spreading a bed over a wide (large cross section), shallow (shallow depth or short path) geometry rather than a high (long stroke path) and narrow (relatively small cross section to flow direction) geometry will reduce the loss. bed and the linear velocity of a fluid passing through the bed.

Embora ambos esses efeitos sejam muito benéficos, uma construção decoluna como essa não prevalece, por causa da dificuldade de distribuição ecoleta de fluido através de um leito largo e oco (uma seção transversal gran-de). Qualquer não homogeneidade ou turbulência no fluido introduzido nacoluna, normalmente, não pode ser atenuada através de um leito largo eraso, de modo que as não homogeneidades são refletidas como ineficiênciase um processamento inaceitável. Por exemplo, na cromatografia, esses pro-blemas resultam em um alargamento de banda e uma separação ruim doscomponentes de uma mistura de alimentação.While both of these effects are very beneficial, such a decoloured construction does not prevail because of the difficulty of ecoletically distributing fluid across a wide, hollow bed (a large cross section). Any inhomogeneity or turbulence in the fluid introduced into the column normally cannot be attenuated through a wide and shallow bed, so that the inhomogeneities are reflected as inefficiency and unacceptable processing. For example, in chromatography, these problems result in bandwidth and poor separation of components from a feed mixture.

Um dispositivo representativo é mostrado na Patente U.S. Nq4.673.507 de Brown. A patente '507 mostra um aparelho de tratamento defluido, o qual pode ser usado para uma operação em leito raso. Entretanto,este dispositivo carece de uma alimentação de fluido significativamente dis-tribuída e sistemas de coleta, e é dependente da manutenção do leito emuma condição sobreprensada. Uma distribuição de escoamento de fluidosubstancialmente uniforme através do leito é obtida pelo emprego de resinasde tamanho de partícula fino (substancialmente uniforme), as quais sãomantidas em uma condição sobreprensada. Aqui, o termo 'sobreprensada' éusado para significar que as partículas são confinadas no leito de resina, demodo que elas estejam sujeitas a uma compressão em todos os momentos.A representative device is shown in Brown U.S. Patent No. 4,673,507. The '507 patent shows a fluid treatment apparatus which can be used for a shallow bed operation. However, this device lacks significantly distributed fluid supply and collection systems, and is dependent on maintaining the bed in an overpressed condition. Substantially uniform fluid flow distribution across the bed is achieved by employing (substantially uniform) fine particle size resins, which are maintained in an overpressure condition. Here, the term 'overpressed' is used to mean that the particles are confined to the resin bed so that they are subjected to compression at all times.

Este dispositivo, inerentemente, restringe o escoamento de fluido de proces-so através do leito.This device inherently restricts the flow of process fluid through the bed.

A Patente U.S. Nq 5.626.750 de Chinn mostra um aparelho parao tratamento de fluido. Neste aparelho, as primeira e segunda "cavidadessem partículas" são providas acima e abaixo do leito de partícula retida. Umescoamento de fluido uniforme através do leito é provido simplesmente pelaperda de pressão através do leito. A perda de pressão através do leito é umafunção das pressões nas primeira e segunda cavidades. Não é feita nenhu-ma provisão para se controlarem substancialmente as características de es-coamento de fluido (vórtices ou zonas turbulentas) nos fluxos de fluido deprocesso próximo da superfície do leito.U.S. Patent No. 5,626,750 to Chinn shows an apparatus for treating fluid. In this apparatus, the first and second "particle cavities" are provided above and below the retained particle bed. Uniform fluid flow through the bed is simply provided by pressure loss through the bed. Pressure loss across the bed is a function of pressures in the first and second cavities. No provision is made to substantially control fluid flow characteristics (vortices or turbulent zones) in the flow-through fluid flows near the bed surface.

Seria um avanço prover um aparelho para o processamento defluidos, o qual apresentasse uma perda de pressão reduzida através de umleito de mídia e, também, que tivesse uma vazão de fluido reduzida (veloci-dade) a uma vazão volumétrica aumentada através do leito. Um aparelhopreferido proveria controle pelo escoamento de fluido de processo, para re-duzir a mistura e a turbulência próximo do leito, para resistir a não homoge-neidades no fluxo de processamento.It would be an advance to provide a fluid processing apparatus which has reduced pressure loss through a media bed and also has reduced fluid flow (velocity) at increased volumetric flow through the bed. A preferred apparatus would provide control by the process fluid flow to reduce mixing and turbulence near the bed to resist inhomogeneities in the processing flow.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

A presente invenção provê um aparelho para um sistema deprocessamento de fluido, o qual envolve passar um fluido através de um leitode processamento configurado para ter um diâmetro substancialmente maiordo que sua altura (a distância entre sua extremidade de entrada e sua ex-tremidade de saída). A invenção é operável em sistemas nos quais a relaçãode diâmetro (D) para altura (h) do leito de processamento é tão alta quanto20:1 ou mais. A invenção é vantajosamente aplicada a leitos com relaçõesde D:h se aproximando de 2:1, mas relações de D:h além de cerca de 3:1são presentemente preferidas. O termo "leito de processamento" se refere aqualquer massa confinada de material de processamento de finalidade con-vencional ou especial (meio) contido por uma célula ou uma coluna, atravésda qual os fluidos são passados. Os materiais típicos desse processamentoincluem materiais de guarnição inorgânicos ou orgânicos, meios de croma-tografia, meios de troca de íon, meios de absorção ou de adsorção, enzimase reagentes cataiíticos.The present invention provides an apparatus for a fluid processing system, which involves passing a fluid through a processing tube configured to have a diameter substantially greater than its height (the distance between its inlet end and its outlet end). . The invention is operable in systems in which the ratio of diameter (D) to height (h) of the processing bed is as high as 20: 1 or more. The invention is advantageously applied to beds with D: h ratios approaching 2: 1, but D: h ratios beyond about 3: 1 are presently preferred. The term "processing bed" refers to any confined mass of conventional or special purpose processing material (medium) contained by a cell or column through which fluids are passed. Typical materials for such processing include inorganic or organic lining materials, chromatography media, ion exchange media, absorption or adsorption media, enzymatic and cationic reagents.

Um distribuidor de fluido, tipicamente, é disposto, para a introdu-ção de fluido de processo na extremidade de entrada do leito, com uma den-sidade de pelo menos 18,58 saídas de distribuição por metro quadrado (200saídas de distribuição por pé quadrado). Um coletor de fluido, tipicamente, édisposto, para coletar o fluido processado uma vez na extremidade de saídado leito de resina. Geralmente, é preferido que o coletor seja disposto paracoletar fluido através de entradas de coleta com uma densidade de pelo me-nos 18,58 por metro quadrado (200 por pé quadrado). Está na contemplaçãoprover entradas e/ou saídas com uma densidade de 310.000 por metro qua-drado (200 por polegada quadrada) ou mais. Atualmente, é preferido cons-truir o distribuidor e o coletor a partir de elementos fractais dispostos de for-ma recursiva. Os sistemas de acordo com os princípios da presente inven-ção podem ser construídos para a produção de condições de escoamentode processamento com uma perda de pressão através do leito de meios demenos de 34,47 kPa (5 psi).A fluid dispenser typically is arranged for introducing process fluid into the inlet end of the bed with a density of at least 18.58 dispensing outputs per square meter (200 dispensing outputs per square foot). ). A fluid collector typically is arranged to collect the processed fluid once at the resin bed outlet end. Generally, it is preferred that the manifold be arranged to fluidly flow through collection inlets with a density of at least 18.58 per square meter (200 per square foot). It is contemplated to provide inlets and / or outlets with a density of 310,000 per square meter (200 per square inch) or more. At present, it is preferred to construct the manifold and collector from recursively arranged fractal elements. Systems in accordance with the principles of the present invention may be constructed to produce processing flow conditions with a pressure loss across the bed of 34.47 kPa (5 psi) media.

Um sistema de acordo com a presente invenção pode incluir a-inda um segundo leito de processamento com um lado de entrada, um ladode saída e um diâmetro igual a pelo menos duas vezes a distância entre olado de entrada e o lado de saída. Um segundo distribuidor de fluido podeser disposto para se introduzir o fluido processado uma vez no lado de en-trada do segundo leito. O segundo distribuidor também, desejavelmente, temuma densidade de pelo menos 2.153 saídas de distribuição por metro qua-drado, para a promoção de um escoamento unidimensional com mistura eturbulência minimizadas no fluido de processo. Um segundo coletor de flui-do, então, é disposto, geralmente, para a coleta do fluido processado duasvezes no lado de saída do segundo leito de resina. Atualmente, é preferidoque os primeiro e segundo distribuidores de fluido sejam formados a partirda mesma estrutura fractal. Também é preferido que o primeiro e o segundocoletores de fluido sejam formados a partir da mesma estrutura fractal, e se-jam similares aos distribuidores. Um elemento fractal recursivo desejávelpode ser caracterizado como tendo um formato em Ή". Outros elementosfractais, incluindo aqueles com formatos tridimensionais, também estão nacontemplação de uso nas estruturas de distribuidor ou de coletor.A system according to the present invention may further include a second processing bed with an inlet side, an outlet ladder and a diameter equal to at least twice the distance between the inlet end and the outlet side. A second fluid dispenser may be arranged to introduce the processed fluid once into the inlet side of the second bed. The second manifold also desirably has a density of at least 2,153 manifold outlets per square meter for the promotion of one-dimensional flow with minimized mixing and turbulence in the process fluid. A second fluid collector is then disposed generally for collecting the processed fluid twice on the outlet side of the second resin bed. Currently, it is preferred that the first and second fluid distributors are formed from the same fractal structure. It is also preferred that the first and second fluid collectors are formed from the same fractal structure, and are similar to the dispensers. A desirable recursive fractal element can be characterized as having a formato "shape. Other factual elements, including those with three-dimensional shapes, are also contemplated for use in manifold or manifold structures.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Nos desenhos, os quais ilustram o que é atualmente considera-do como sendo o melhor modo para a realização da invenção e nos quaisnúmeros de referência iguais se referem a partes iguais em diferentes vistasou modalidades:In the drawings which illustrate what is currently considered to be the best mode for carrying out the invention and in which like reference numerals refer to like parts in different views or embodiments:

a Figura 1 é uma vista plana em seção transversal de uma mo-dalidade típica desta invenção;a Figura 2 é um detalhe de uma porção de borda indicada pelassetas 2-2 na Figura 1;Figure 1 is a cross-sectional plan view of a typical embodiment of this invention, Figure 2 is a detail of an edge portion indicated by baffles 2-2 in Figure 1;

a Figura 3 é uma vista plana em seção transversal de uma mo-dalidade alternativa desta invenção, que tem um espaço vazio deixado entreo leito e o distribuidor de topo;Figure 3 is a cross-sectional plan view of an alternative embodiment of this invention having an empty space left between the bed and the top distributor;

a Figura 4 é uma vista plana de uma modalidade que tem su-portes para os distribuidores de extremidade;Figure 4 is a plan view of one embodiment having supports for end distributors;

a Figura 5 é uma vista de topo de uma placa de extremidade detopo típica;Figure 5 is a top view of a typical detopic end plate;

a Figura 6 é uma vista de topo de uma modalidade de distribui-dor fractal representativa; eFigure 6 is a top view of a representative fractal distributor embodiment; and

a Figura 7 é uma vista de topo de uma modalidade alternativa,similar ao distribuidor fractal da Figura 6, mas com uma iteração fractal adi-cional parcialmente ilustrada na periferia externa.Figure 7 is a top view of an alternative embodiment, similar to the fractal distributor of Figure 6, but with an additional fractal iteration partially illustrated at the outer periphery.

MELHOR MODO PARA A REALIZAÇÃO DA INVENÇÃOBEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

A Figura 1 ilustra um aparelho de tratamento de fluido típico, deacordo com esta invenção, geralmente indicado em 102. O aparelho, tipica-mente, inclui uma placa de topo 106, uma placa de fundo 110, e uma paredelateral 112. Como ilustrado, a parede lateral 112 forma uma estrutura comoum anel, para envolver um volume entre as placas de topo e de fundo 106 e110. O aparelho será descrito com referência a uma parede lateral substan-cialmente circular 112, embora uma limitação estrutural como essa não sejarequerida para a prática desta invenção. Uma ou mais paredes laterais 112podem ser construídas, para a formação de virtualmente qualquer formatona seção transversal através do aparelho.Figure 1 illustrates a typical fluid treatment apparatus according to this invention, generally indicated at 102. The apparatus typically includes a top plate 106, a bottom plate 110, and a sidewall 112. As illustrated, sidewall 112 forms a ring-like structure for enclosing a volume between top and bottom plates 106 and 110. The apparatus will be described with reference to a substantially circular sidewall 112, although such a structural limitation is not required for the practice of this invention. One or more sidewalls 112 may be constructed to form virtually any shape cross section through the apparatus.

Atualmente, é preferido montar placas de topo e de fundo 106 e110 na parede lateral 112 em um encaixe estanque a fluidos com as gaxetasde topo e de fundo 114 e 116, respectivamente. A estrutura de junção, aqual pode ser desmontada, geralmente, é preferida, tal como a interface dejunta aparafusada indicada geralmente em 120, na modalidade de um apa-relho 102.Currently, it is preferred to mount top and bottom plates 106 and 110 to the side wall 112 in a fluid tight fit with the top and bottom gaskets 114 and 116, respectively. The joint structure which can be disassembled is generally preferred, as is the bolted joint interface generally indicated at 120 in the form of an attachment 102.

Com referência adicional à Figura 1, a placa de topo 106, geral-mente, porta uma ou mais janelas de fluido 124, para a passagem de fluidosde processo através dela. A janela de fluido 124 é construída, desejavel-mente, em comunicação de fluido com uma rede de distribuição de orifícios,dispostos em um distribuidor fractal 128. Um distribuidor 128, preferencial-mente, funciona para distribuir o fluido de processo em uma configuraçãoque se aproxima de um arranjo homogêneo de pontos de entrada ou de saí-da no espaço. A finalidade principal de um distribuidor como esse é produzirum escoamento de fluido de processo dirigido substancialmente em apenasuma direção. Atualmente, é preferido prover o distribuidor 128 como umfractal. Um leito 132, formado de um meio de trabalho adequado, tipica-mente, é disposto entre os distribuidores fractais 128 e 136.With further reference to Figure 1, the top plate 106 generally carries one or more fluid windows 124 for the passage of process fluids therethrough. The fluid window 124 is desirably constructed in fluid communication with an orifice distribution network disposed in a fractal distributor 128. A distributor 128 preferably functions to distribute the process fluid in a configuration which is suitable for approximates a homogeneous arrangement of entry or exit points in space. The main purpose of such a dispenser is to produce a process fluid flow directed substantially in only one direction. Currently, it is preferred to provide the dispenser 128 as a fractal. A bed 132 formed of a suitable working medium is typically disposed between the fractal distributors 128 and 136.

Em operação, sob um escoamento do topo para baixo, o distri-buidor 136 funciona como um coletor. Um distribuidor 136, tipicamente, é deestrutura similar à do distribuidor 128, mas, em qualquer caso, geralmente,provê um arranjo homogêneo de pontos de entrada ou saída no espaço. Ajanela de fluido 138, em comunicação de fluido com o distribuidor 136, funci-ona para passar fluidos de processo através da placa de fundo 110. Agora,pode ser percebido que os fluidos de processo introduzidos no aparelho 102através da janela 124 podem passar através do leito 132 e ser coletadospara saída através da janela 138. O fluido de processo pode ser distribuído ecoletado de uma forma substancialmente homogênea pelos distribuidoresfractais 128 e 136 em lados opostos do leito 132. Os distribuidores 128 e136 minimizam a turbulência e a mistura no fluido de processo, em zonaspróximas das superfícies de topo e de fundo do leito 132. O escoamento defluido de processo, alternativamente, pode ser dirigido de forma oposta, coma janela 138 funcionando como uma entrada e a janela 128 como uma janelade saída. Por conveniência, o aparelho, geralmente, será descrito a partirdeste ponto com uma condição de escoamento do topo para baixo. Em umacondição de escoamento do topo para baixo, o distribuidor de topo 128 fun-ciona como um distribuidor, e o distribuidor de fundo 136 funciona como umcoletor.In operation, under a top-down flow, the manifold 136 functions as a manifold. A distributor 136 is typically similar in structure to distributor 128, but in any case generally provides a homogeneous arrangement of entry or exit points in space. The fluid window 138, in fluid communication with the dispenser 136, functions to pass process fluids through the bottom plate 110. It can now be seen that process fluids introduced into the apparatus 102 through the window 124 can pass through the 132. The process fluid may be distributed and collected in a substantially homogeneous manner by the fractional manifolds 128 and 136 on opposite sides of the bed 132. The manifolds 128 and 136 minimize turbulence and mixing in the process fluid. at zones near the top and bottom surfaces of the bed 132. The process flow may alternatively be directed in the opposite direction, with window 138 acting as an inlet and window 128 as an outlet window. For convenience, the apparatus will generally be described from this point on with a top-down flow condition. In a top-down flow condition, the top manifold 128 functions as a manifold, and the bottom manifold 136 functions as a manifold.

A Figura 2 ilustra uma vista em detalhe de uma estrutura típica-mente incluída nas modalidades preferidas da invenção. A ilustração da Fi-gura 2 descreve uma construção de imagem espelhada típica nos lados deentrada e de saída do dispositivo. Três zonas são indicadas através da altu-ra do aparelho, representando uma zona de distribuidor fractal 142, uma zo-na de leito 144, e uma segunda zona de distribuidor fractal 146. A zona dedistribuidor fractal 142 aloja o distribuidor fractal 128, e a zona de distribuidorfractal 146 aloja o distribuidor fractal 136. As zonas de distribuidor não têmde preencher todo o espaço entre o leito 132 e as placas de topo ou de fun-do 106 e 110, respectivamente. Um espaço pode ser mantido, por exemplo,acima de um leito 132, para fins de fluidização do leito 132.Figure 2 illustrates a detail view of a structure typically included in preferred embodiments of the invention. The illustration of Figure 2 depicts a typical mirror image construction on the inlet and outlet sides of the device. Three zones are indicated by the height of the apparatus, representing a fractal distributor zone 142, a bed spreader zone 144, and a second fractal distributor zone 146. The fractal distributor zone 142 houses the fractal distributor 128, and the distributor zone 146 houses the fractal distributor 136. The distributor zones do not have to fill the entire space between bed 132 and the top or bottom plates 106 and 110, respectively. A space may be maintained, for example, above a bed 132 for fluidization of bed 132.

As zonas de distribuidor fractal, tipicamente, funcionam para mi-nimizar a mistura e a turbulência próximas das superfícies do leito. Um dis-tribuidor 128 ou 136, desejavelmente, provê uma população de saídas defluido em uma interface de fluido / distribuidor, para se aproximar de um es-coamento de fluido distribuído que tem apenas uma componente de veloci-dade direcionada para ou para longe de uma superfície do leito 132. A zonade leito 144 aloja o leito 132, que tem superfícies de topo e de fundo 148 e150, respectivamente. A zona de leito 144 pode ser definida pelas superfí-cies de topo e de fundo formadas por uma tela, malha, membrana ou outroselementos de retenção (não ilustrados).Fractal distributor zones typically work to minimize mixing and turbulence near bed surfaces. A distributor 128 or 136 desirably provides a deflected outlet population at a fluid / manifold interface to approach a distributed fluid flow having only one velocity component directed toward or away from. a bed surface 132. Bed zon 144 houses bed 132, which has top and bottom surfaces 148 and 150, respectively. The bed zone 144 may be defined by the top and bottom surfaces formed by a web, mesh, membrane or other retaining elements (not shown).

A Figura 3 ilustra uma modalidade alternativa 154 desta inven-ção com um espaço vazio 156 deixado entre o leito 132 e o distribuidor detopo 128. A invenção pode operar, eficientemente, nesta configuração. Estamodalidade alternativa 154 permite a fluidização interna, a qual é necessáriapara etapas comuns, tais como retrolavagem do leito ou operação contínuado leito fluidizadOr O espaço vazio156 permite ao material do leito í 32 es-paço suficiente no qual se mover em uma direção vertical, para fins de retro-lavagem ou de fluidização do leito 132.Figure 3 illustrates an alternative embodiment 154 of this invention with a void 156 left between bed 132 and top distributor 128. The invention can operate efficiently in this configuration. Alternative mode 154 permits internal fluidization which is required for common steps such as bed backwashing or continuous fluidized bed operation. The void space 156 allows the bed material 32 to have sufficient space in which to move in a vertical direction for purposes. backwashing or fluidizing the bed 132.

A Figura 4 ilustra suportes internos 160, os quais podem serusados se o diâmetro da célula rasa se tornar muito grande para suportarapropriadamente os distribuidores de extremidade. Os suportes 160, prefe-rencialmente, interceptam os distribuidores fractais 128 e 136 em áreas embranco, para evitar qualquer interferência com o escoamento de fluido deprocesso. Hastes ou placas planas são exemplos de uma estrutura de su-porte, a qual pode ser usada em um elemento de suporte 160.Figure 4 illustrates internal supports 160, which may be used if the shallow cell diameter becomes too large to properly support the end distributors. The brackets 160 preferably intercept the fractal distributors 128 and 136 in white areas to prevent any interference with the flow of process fluid. Flat rods or plates are examples of a support structure which can be used on a support element 160.

A Figura 5 ilustra uma placa de extremidade de topo 106 comuma janela de fluido 124 localizada aproximadamente em um eixo central.Uma ou mais dessas janelas 124 podem estar localizadas em outros locaisnão axiais. Entretanto, atualmente, é preferido ter apenas uma dessas jane-las 124 centralmente localizada através da placa de extremidade 106. O lo-cal da janela 124 pode ser determinado por questões de fabricação e, assim,pode estar descentralizado. Geralmente, é desejado prover a janela 124 emum local conveniente para conexão ao distribuidor 128. Uma pluralidade deorifícios de parafuso 164 pode ser provida espaçada em torno do perímetroda placa ilustrada 106, para a formação da estrutura de junção 120. Umaplaca de extremidade de fundo 110, tipicamente, é estruturada similar ousimétrica à placa de topo 106.Figure 5 illustrates a top end plate 106 with a fluid window 124 located approximately on a central axis. One or more of these windows 124 may be located in non-axial locations. However, at present, it is preferred to have only one of these windows 124 centrally located through the end plate 106. The location of the window 124 may be determined for manufacturing reasons and thus may be decentralized. Generally, it is desired to provide the window 124 in a convenient location for connection to the dispenser 128. A plurality of screw holes 164 may be provided spaced around the perimeter of the illustrated plate 106 for forming the junction structure 120. A bottom end plate 110 It is typically structured similarly or symmetrically to the top plate 106.

A Figura 6 ilustra uma modalidade de distribuidor fractal típica128, apropriada para este aparelho. A modalidade ilustrada é apenas umexemplo de um distribuidor 128, e representa apenas um arranjo desejávelde estrutura de distribuição. Um número virtualmente infinito de variações naconfiguração estrutural de um distribuidor 128 é possível.Figure 6 illustrates a typical fractal distributor embodiment128 suitable for this apparatus. The embodiment illustrated is only an example of a distributor 128, and represents only a desirable arrangement of distribution structure. A virtually infinite number of variations in the structural configuration of a distributor 128 are possible.

Continuando com referência à Figura 6, os condutos individuaisque formam o sistema de distribuidor 128 são colocados em planos separa-dos e não se interceptam. Setores arqueados 164 e 168 são ilustrados emestágios progressivos de modalidade. O fluido introduzido na janela 124 édividido no escoamento através de ramificações de conduto sucessivamentedivididas. Como ilustrado, o fluido escoando a partir da janela 124 é divididoem seis condutos 172. Cada um dos condutos 172 pode subseqüentementeser dividido em três ou seis condutos 174 (podem ter a imagem espelhadaem planos acima e abaixo dos condutos 172). Os condutos 174, então, sãodivididos para escoamento de fluido para múltiplos condutos 176. O proces-so de divisão recursiva pode ser continuado, como desejado, para a provi-são de uma densidade suficiente de saídas ou entradas de fluido.Atualmente, é preferido propagar sucessivas divisões da estrutu-ra do conduto em uma progressão recursiva de elementos fractais. Cadadivisão sucessiva de condutos pelo menos dobra o número de saídas para acélula, e crescentemente espalha as saídas em uma distribuição mais uni-forme por todo o volume ocupado por um distribuidor 128. As saídas não sãonecessariamente orientadas para terem uma abertura dirigida na direção doescoamento total de um distribuidor em direção a um leito. O simples espa-Ihamento das saídas uniformemente em um volume ocupado pelo distribui-dor 128 promove um escoamento unidimensional em direção a um leito 132,e minimiza a turbulência no fluido de processo.Continuing with reference to Figure 6, the individual conduits forming distributor system 128 are placed in separate planes and do not intersect. Arched sectors 164 and 168 are illustrated in progressive stages of the sport. The fluid introduced in window 124 is divided into the flow through successively divided conduit branches. As illustrated, fluid flowing from window 124 is divided into six conduits 172. Each of conduits 172 may subsequently be divided into three or six conduits 174 (may have the mirror image in planes above and below conduits 172). The conduits 174 are then divided for multi-conduit fluid flow 176. The recursive division process may be continued, as desired, to provide a sufficient density of fluid outlets or inlets. propagate successive divisions of the conduit structure into a recursive progression of fractal elements. Successive duct-splitting at least doubles the number of outlets to the cell, and increasingly spreads outlets in a more even distribution over the volume occupied by a 128 manifold. The outlets are not necessarily oriented to have a full-direction directed opening from a distributor towards a bed. Simply spacing the outlets evenly in a volume occupied by the dispenser 128 promotes one-dimensional flow towards a bed 132, and minimizes turbulence in the process fluid.

A adição recursiva de condutos cada vez menores permite que oaparelho seja construído com células progressivamente mais rasas e leitosinternos progressivamente mais rasos. Como um exemplo usando uma in-trodução de fluido em uma célula, conforme o número de saídas de fluidoaumenta, a distribuição desses pontos de saída se torna mais homogêneaatravés de um volume. O fluido introduzido, portanto, tem turbulência oumistura interna reduzida. O efeito resultante é que substancialmente todo ovetor de velocidade que descreve o movimento do fluido de processo é diri-gido perpendicular ao leito. De modo ideal, uma seção de plano através dofluido de processo introduzido, e transversal à direção de escoamento, per-maneceria plana conforme o fluido de processo se aproximasse e passasseatravés do leito. Conforme o escoamento de fluido se torna mais uniforme,menos atenuação de componentes do vetor de velocidade de fluido é reque-rida do leito em si, ou de uma camada limite imediatamente adjacente à su-perfície do leito. Portanto, o leito e a célula de processamento podem ter aespessura correspondentemente reduzida, resultando em uma estrutura decélula "mais rasa".The recursive addition of shrinking ducts allows the apparatus to be constructed with progressively shallower cells and progressively shallower internal beds. As an example using a fluid introduction into a cell, as the number of fluid outlets increases, the distribution of these outlet points becomes more homogeneous across a volume. The introduced fluid therefore has turbulence or reduced internal mixture. The resultant effect is that substantially every velocity indicator describing the movement of the process fluid is directed perpendicular to the bed. Ideally, a section of plane through the introduced process fluid, and transverse to the flow direction, would remain flat as the process fluid approached and passed through the bed. As fluid flow becomes more uniform, less attenuation of fluid velocity vector components is required from the bed itself, or from a boundary layer immediately adjacent to the bed surface. Therefore, the bed and the processing cell may have correspondingly reduced thickness, resulting in a "shallower" cell structure.

O termo "fractal" como usado nesta exposição, se refere a umdispositivo construído como um distribuidor ou coletor (128 ou 136), que temsaídas ou entradas conectadas através de condutos construídos e dispostossubstancialmente de acordo com os princípios da geometria fractal. As es-truturas fractais são construtos matemáticos que apresentam invariância deescala. Nessas estruturas, uma geometria auto-similar reaparece em muitasescalas. Os distribuidores ou coletores típicos 128 ou 136, desejavelmente,são configurados em condutos dispostos em padrões fractais, usando-sequalquer técnica de fabricação bem conhecida, tais como matrizes de tubo,telhas moldadas ou usinadas, ou placa estampada. A densidade de orifíciode saída ou de entrada pode ser aumentada recursivamente duplicando-seum padrão básico (fractal) em uma escala cada vez menor.The term "fractal" as used in this exhibition refers to a device constructed as a distributor or collector (128 or 136), which has inputs or outputs connected through conduits constructed and disposed substantially in accordance with the principles of fractal geometry. Fractal structures are mathematical constructs that have scale invariance. In these structures, a self-similar geometry reappears on many scales. Typical manifolds or manifolds 128 or 136 are desirably shaped into conduits arranged in fractal patterns using any well-known manufacturing technique such as tube dies, molded or machined tiles, or stamped plate. Outlet or inlet hole density can be recursively increased by doubling a basic pattern (fractal) on an increasingly smaller scale.

Um fractal mais simples é uma interseção em "T" simples, for-mada pela interseção de um primeiro conduto em ângulo reto com um se- gundo conduto geralmente de diâmetro menor. Este caso mais simples do-bra o número de entradas ou de saídas em um sistema de distribuição acada geração sucessiva de estrutura fractal. As saídas de cada geração deestruturas fractais, tipicamente, são conectadas a entradas da geração frac-tal subseqüente. As saídas da geração final de estrutura fractal correspon-dem às saídas do distribuidor 128.A simpler fractal is a simple "T" intersection, formed by the intersection of a first right-angled conduit with a second generally smaller-diameter conduit. This simplest case doubles the number of inputs or outputs in a distribution system each successive generation of fractal structure. The outputs of each generation of fractal structures typically are connected to inputs of subsequent weak generation. The outputs of the final generation fractal structure correspond to the distributor 128 outputs.

Obviamente, outros padrões fractais, mais complicados, sãopossíveis no presente dispositivo. Por exemplo, um padrão fractal baseadona propagação recursiva de um elemento fractal, que se aproxima de umformato em "H", é ilustrado nas Figuras 6 e 7. Os fractais também podem sertridimensionais. Um elemento fractal tridimensional pode ser caracterizadocomo tendo quatro raios irradiando-se a partir de um cubo, cada raio emcomunicação de fluido com saídas emparelhadas. Um elemento fractal comoesse pode ter saídas localizadas nos oito cantos de um cubo imaginário. Umsegundo elemento fractal tridimensional pode ter três raios irradiando-se apartir de um cubo. Cada raio pode terminar em uma saída, ou se comunicarcom uma estrutura de conduto adicional, para a formação de um númeroaumentado de saídas. Mais ainda, o distribuidor 128 ou o coletor 136 podeconter mais de uma configuração fractal. Por exemplo, uma geração de es-truturas fractais em formato de "H" pode alimentar uma geração subse-qüente de estruturas fractais em formato de "T", e assim por diante.Of course, other more complicated fractal patterns are possible in the present device. For example, a fractal pattern based on the recursive propagation of a fractal element that approaches an "H" format is illustrated in Figures 6 and 7. Fractals can also be three-dimensional. A three-dimensional fractal element can be characterized as having four rays radiating from a cube, each ray in fluid communication with paired outputs. Such a fractal element can have outputs located at the eight corners of an imaginary cube. A second three-dimensional fractal element can have three rays radiating from a cube. Each radius may terminate at one outlet, or communicate with an additional conduit structure, to form an increased number of outlets. Moreover, the distributor 128 or collector 136 may contain more than one fractal configuration. For example, a generation of "H" shaped fractal structures can feed a subsequent generation of "T" shaped fractal structures, and so on.

Geralmente, é preferido que a seção transversal total de gera-ções sucessivas de estrutura fractal seja substancialmente a mesma, oumaior do que a seção transversal total da geração de origem. Um arranjo deseção transversal como esse ajuda a minimizar a velocidade de fluido nosorifícios de entrada e de saída. Em qualquer caso, é desejado que todas asestruturas de conduto em uma geração em particular sejam hidraulicamentesimilares, para a promoção de um escoamento uniformemente distribuídopor toda a geração.Generally, it is preferred that the total cross section of successive generations of fractal structure be substantially the same, or larger than the total cross section of the source generation. Such a cross-sectional arrangement helps minimize fluid velocity in the inlet and outlet ports. In any case, it is desired that all conduit structures in a particular generation be hydraulically similar to promote uniformly distributed flow throughout the generation.

A Figura 7 ilustra a mesma propagação fractal que na Figura 6,mas com uma iteração fractal adicional aplicada à área externa. Essas itera-ções são a chave para a retração progressiva desta invenção da altura doaparelho. A Figura 7 mostra apenas a área periférica adicionalmente iteradapara fins ilustrativos. O procedimento iterativo, obviamente, se aplica a todoo volume da zona de distribuidor fractal, para distribuir pontos de saída ou decoleta por todo o volume ocupado por um distribuidor 128 ou 136. O númerode iterações adicionais é limitado apenas por técnicas de fabricação.Figure 7 illustrates the same fractal spread as in Figure 6, but with an additional fractal iteration applied to the outer area. These iterations are the key to the progressive retraction of this device height invention. Figure 7 shows only the peripheral area additionally iterated for illustrative purposes. The iterative procedure, of course, applies to the entire volume of the fractal distributor zone, to distribute exit or takeoff points across the volume occupied by a distributor 128 or 136. The number of additional iterations is limited only by manufacturing techniques.

O termo "raso", como usado nesta exposição, tem por finalidadedistinguir leitos contidos em uma coluna convencional. De acordo com estainvenção, um leito 132 de um dado volume é configurado com uma altura decoluna significativamente reduzida 144 (medida ao longo da trajetória de es-coamento do fluido no curso, sem se considerar a orientação) e uma área deseção transversal correspondentemente aumentada (medida transversal-mente à trajetória de escoamento de fluido através do leito), se comparadocom uma configuração convencional de leito. O uso da configuração de leitorasa permite o processamento de um fluido através de um leito 132, o qualtem a altura reduzida em pelo menos 70%, se comparado com um dado pro-cesso de fluido convencional. De fato, praticamente não há limites quanto àredução da altura do leito, a qual pode ser obtida pela prática desta inven-ção. Em contraste com a maioria dos leitos de resina convencionais, aquelesde acordo com esta invenção são caracterizados por diâmetros significati-vamente maiores; tipicamente, pelo menos o dobro de suas alturas. As rela-ções de diâmetro para altura em mais de 10:1 são práticas, e relações debem mais do que 100:1 também são atualmente consideradas práticas.Como um exemplo, a modalidade ilustrada na Figura 1 tem uma relação decerca de 50:1.The term "shallow", as used in this exhibition, is intended to distinguish beds contained in a conventional column. According to this invention, a bed 132 of a given volume is configured with a significantly reduced column height 144 (measured along the fluid flow path in the course, without considering orientation) and a correspondingly increased cross-sectional area ( measured transversely to the fluid flow path through the bed) compared to a conventional bed configuration. The use of the reader configuration allows the processing of a fluid through a bed 132 which has a height reduced by at least 70% compared to a given conventional fluid process. In fact, there are virtually no limits on bed height reduction, which can be obtained by practicing this invention. In contrast to most conventional resin beds, those according to this invention are characterized by significantly larger diameters; typically at least twice their heights. Diameter to height ratios of more than 10: 1 are practical, and ratios of more than 100: 1 are also currently considered practical. As an example, the embodiment illustrated in Figure 1 has a ratio of about 50: 1. .

Embora outras configurações de seção transversal sejam operá-veis, uma configuração de leito de seção transversal circular é atualmentepreferida. O termo "diâmetro", como aplicado a outras configurações além dacircular, deve ser compreendido como significando "diâmetro efetivo", isto é,uma dimensão intermediária aos eixos maior e menor de qualquer configu-ração como essa.Although other cross-sectional configurations are operable, a circular cross-sectional bed configuration is currently preferred. The term "diameter", as applied to other than circular configurations, should be understood to mean "effective diameter", that is, an intermediate dimension to the major and minor axes of any such configuration.

Embora outros benefícios valiosos resultem do uso de célulasrasas de acordo com esta invenção, um benefício particularmente significati-vo é a redução de certas características de limitação do processo. Um bene-fício útil desta invenção é a redução do alargamento de banda e da superpo-sição de fluido. A presente invenção não requer condições de leito sobre-prensado ou comprimido. De fato, devido ao fato de a invenção não requerercondições sobreprensadas, os processos que requerem uma fluidização pe-riódica ou constante podem ser realizados na célula e ainda manter as van-tagens da operação do leito raso. Esta realidade expande, grandemente, aspossibilidades para o uso do conceito de leito raso. Tampouco esta invençãorequer as cavidades sem partículas da Patente U.S. N5 5.626.750 e, por-tanto, não apresentará o efeito de mistura, o qual ocorrerá nessas câmaras.While other valuable benefits result from the use of stem cells in accordance with this invention, a particularly significant benefit is the reduction of certain process limiting characteristics. A useful benefit of this invention is the reduction of bandwidth and fluid overlap. The present invention does not require overpressed or compressed bed conditions. In fact, due to the fact that the invention does not require overpressure conditions, processes that require periodic or constant fluidization can be performed in the cell and still maintain the advantages of shallow bed operation. This reality greatly expands the possibilities for the use of the shallow bed concept. Nor does this invention require the particle-free cavities of U.S. Patent No. 5,626,750, and therefore will not exhibit the mixing effect which will occur in such chambers.

Mais ainda, um dos avanços providos por esta invenção é evitar limitaçõesde processamento, tal como a perda de pressão através do leito ensinada napatente '750.Moreover, one of the advancements provided by this invention is to avoid processing limitations, such as pressure loss across the taught bed in the '750.

Vantagens desta invenção:Advantages of this invention:

1. Colunas com profundidade de leito muito baixa e relação delargura para altura muito alta podem ser obtidas.1. Columns with very low bed depth and very high width to height ratio can be obtained.

2. Um leito sobreprensado não é requerido para a obtenção deuma distribuição de escoamento uniforme através do aparelho.2. An overpressured bed is not required to achieve uniform flow distribution through the apparatus.

3. Uma perda de pressão substancial do leito não é requeridapara a obtenção de uma distribuição de escoamento uniforme através doaparelho.3. Substantial pressure loss from the bed is not required to achieve a uniform flow distribution through the apparatus.

4. A vazão para esses dispositivos pode ser aumentada signifi-cativamente, se comparada com um projeto de célula convencional, por cau-sa de uma grande diminuição na perda de pressão através do leito.4. The flow to these devices can be significantly increased compared to a conventional cell design because of a large decrease in pressure loss across the bed.

5. A vazão para esses aparelhos pode ser aumentada significati-vamente, por causa de uma grande diminuição na velocidade linear atravésdo leito, se comparado com um volume equivalente de um leito em umaconfiguração de profundidade de leito alta convencional.5. The flow rate for these devices can be significantly increased because of a large decrease in linear velocity across the bed compared to an equivalent bed volume in a conventional high bed depth configuration.

6. O custo para o equipamento é reduzido, porque a mesma va-zão a ser tratada pode ser passada através de uma coluna muito menor e,portanto, menos dispendiosa.6. The cost for the equipment is reduced because the same amount to be treated can be passed through a much smaller and therefore less expensive column.

7. Devido ao fato de o equipamento ser menor, há economiassimples no espaço requerido para a disposição do equipamento.7. Due to the fact that the equipment is smaller, there are simple savings in the space required for the disposal of the equipment.

8. Os materiais de construção parp ? ·-^uipaThento podem sermeriub ί ο iictos e. portanto, menos dispendiosos, por causa das exigênciasestruturais reduzidas desta invenção.8. The building materials parp? · - ^ uipaThento may be immersed e. therefore, less expensive because of the reduced structural requirements of this invention.

9. A invenção cria possibilidades para uma construção de célulausando-se uma ampla faixa de materiais normalmente inaceitáveis.9. The invention creates possibilities for a cell construction using a wide range of normally unacceptable materials.

10. Os custos para os materiais do leito são reduzidos, uma vezque muito menos é necessário para uma dada vazão de alimentação.10. Costs for bed materials are reduced as much less is required for a given feed rate.

11. A exigência reduzida para o material do leito permite que ummaterial de leito comumente muito dispendioso seja usado, desse modo cri-ando novas oportunidades previamente negadas devido ao custo do materialdo leito.11. The reduced requirement for bed material allows a commonly expensive bed material to be used, thereby creating new opportunities previously negated due to the cost of bed material.

12. Devido às características de perda de pressão reduzida, ummaterial altamente compressível pode ser usado para a guarnição do Ieitoreainda manter uma alta produtividade.12. Due to the characteristics of reduced pressure loss, a highly compressible material can be used for the trim of the reader while maintaining high productivity.

13. Devido às características de perda de pressão reduzida, épossível usar partículas de leito de tamanho muito pequeno e, portanto, ob-ter uma taxa de reação mais rápida (área superficial alta por unidade de vo-lume).13. Due to the reduced pressure loss characteristics, very small bed particles can be used and therefore have a faster reaction rate (high surface area per volume unit).

14. Quando usada para um equipamento de ciclagem, esta in-venção permite que esses processos completem os ciclos muito rapida-mente. Um resultado é que um equipamento periférico pode ser muito menordo que o usual, porque um equipamento como tanques de armazenamentonão precisam armazenar tanto material.14. When used for cycling equipment, this invention allows these processes to complete cycles very quickly. One result is that peripheral equipment can be much shorter than usual, because equipment such as storage tanks does not have to store as much material.

15. A energia requerida para a operação do processo é reduzidapara um dado material de leito, por causa da redução da perda de pressãodo leito. Por exemplo, as bombas para o processo podem ser comandadascom menos potência motor.15. The energy required for process operation is reduced for a given bed material, because of the reduction in bed pressure loss. For example, process pumps can be controlled with less engine power.

16. A superposição da frente de fluido é reduzida. Os exemplostípicos desses benefícios, os quais podem ser obtidos com esta invenção,incluem uma redução do alargamento de banda, o qual ocorre na cromato-grafia, e a redução da superposição de fluido em outras aplicações.16. Overlap of fluid front is reduced. Examples of such benefits which can be obtained with this invention include a reduction in bandwidth which occurs in chromatography and a reduction in fluid overlap in other applications.

17. O uso de células rasas provê os benefícios listados acima,quando usadas em configurações de células únicas ou múltiplas. Os exe-mplos de configurações de células múltiplas para os quais esta invenção ébenéfica são processamento em série primário / secundário / etc., processosde leito móvel simulados e processamento de fluido tipo em carrossel.17. The use of shallow cells provides the benefits listed above when used in single or multiple cell configurations. Examples of multiple cell configurations for which this invention is beneficial are primary / secondary serial processing, etc., simulated moving bed processes and carousel-type fluid processing.

Esta invenção permite a construção e a operacionalidade de umprocessamento de fluido praticamente sem limites quanto à "finura" do leitode coluna. As vantagens de uma perda de pressão de leito muito baixa e develocidade linear reduzida através do leito, portanto, são realizadas. Comonotado anteriormente, praticamente não há limites quanto à redução da altu-ra da coluna, porque uma distribuição de fluido uniforme pode ser recursi-vamente melhorada.This invention allows the construction and operability of virtually unlimited fluid processing as to the "fineness" of the column bed. The advantages of very low bed pressure loss and reduced linear velocity across the bed are therefore realized. As noted earlier, there are virtually no limits on column height reduction, because a uniform fluid distribution can be recursively improved.

Embora aplicações menos exigentes possam operar suficiente-mente com uma densidade fractal de menos de 2.153 saídas de fluido (oupontos de coleta) por metro quadrado (200 saídas de fluido (ou pontos decoleta) por pé quadrado) na interface de fluido / distribuidor, para uma distri-buição muito fina, recomenda-se uma densidade de pelo menos 310.000saída de fluido (ou pontos de coleta) por metro quadrado (200 saídas de flui-do (ou pontos de coleta) por polegada quadrada). Densidades muito maisaltas estão na contemplação, e é reconhecido que uma densidade progres-sivamente mais alta permitirá uma geometria de leito progressivamente maisrasa e uma eficiência mais alta de operação.Although less demanding applications can operate sufficiently with a fractal density of less than 2,153 fluid outlets (or collection points) per square meter (200 fluid outlets (or takeoff points) per square foot) at the fluid / manifold interface to In a very fine distribution, a density of at least 310,000 fluid output (or collection points) per square meter (200 fluid outlets (or collection points) per square inch) is recommended. Much higher densities are in the contemplation, and it is recognized that a progressively higher density will allow progressively slower bed geometry and higher operating efficiency.

Exemplo 1 - Teste PilotoExemplo 1 - Teste PilotoExample 1 - Pilot TestExample 1 - Pilot Test

Este exemplo descreve um teste específico, embora este exem-plo não tenha por finalidade limitar o escopo da invenção. De fato, esta apli-cação em particular foi escolhida, porque ela demonstra, claramente, em umúnico teste, muitos dos benefícios gerais reivindicados acima para um pro-cessamento de fluido de célula rasa com esta invenção. Deve ser claro quebenefícios similares se originarão para aplicações diferentes de fluido.This example describes a specific test, although this example is not intended to limit the scope of the invention. In fact, this particular application has been chosen because it clearly demonstrates in a single test many of the general benefits claimed above for shallow cell fluid processing with this invention. It should be clear that similar benefits will originate for different fluid applications.

Para este teste, uma aplicação de troca de íons foi avaliada. Osprocessos de troca de íons, tipicamente, apresentam uma grande proporçãodos problemas e limites listados anteriormente. Um sistema piloto de célularasa foi projetado para amolecer o "suco fino" de uma fábrica de beterrabasacarina. Esse material, tipicamente, é amolecido de modo a melhor se ade-quar para processos a jusante. Neste processo de troca de íons, a dureza dosuco (cálcio e magnésio) é trocada por constituintes monovalentes, incluindoH+e/ou Na+e/ou K+.For this test, an ion exchange application was evaluated. Ion exchange processes typically have a large proportion of the problems and limits listed above. A pilot cellular system was designed to soften the "fine juice" of a sugar beet factory. Such material is typically softened to best suit downstream processes. In this ion exchange process, the hardness of the dosuco (calcium and magnesium) is exchanged for monovalent constituents, including H + and / or Na + and / or K +.

Uma resina de amolecimento referida como uma resina de trocade cátion fraco foi usada (Bayer CNP LF). O regenerador de resina foi ácidosulfúrico (regeneração de forma de hidrogênio) e o material de exaustãopara amolecimento foi "suco fino" a aproximadamente 15% DS, obtido noprocessamento de beterrabas sacarinas. O material de alimentação e o re-generador são inteiramente convencionais, para o amolecimento de sucofino de cátion fraco.A softening resin referred to as a weak cation exchange resin was used (Bayer CNP LF). The resin regenerator was sulfuric acid (hydrogen form regeneration) and the softening exhaust material was "fine juice" at approximately 15% DS, obtained from the processing of saccharine beets. The feed material and the re-generator are entirely conventional for soft cationic softening softening.

Uma célula rasa foi construída com um diâmetro de 60,96 cm (2pés). Foram usados distribuidores fractais como imagens espelhadas paraambas a distribuição de entrada 128 e a coleta de saída 132. O escoamentofoi permitido em ambas as direções de fluxo para baixo e de fluxo para cima.A shallow cell was constructed with a diameter of 60.96 cm (2ft). Fractal distributors were used as mirror images for both input distribution 128 and output collection 132. Flow was allowed in both downward and upward directions.

A profundidade do leito da resina de troca de íon de cátion fraco foi de 15,24cm (6 polegadas). A relação de D:h do leito foi de 4:1. Para demonstrar queo leito raso poderia ser operado sem a exigência da técnica anterior de umleito sobreprensado, 15,24 cm (6 polegadas) de espaço vazio 156 acima doleito 132 foram incluídos no projeto da célula (veja a Figura 3).The bed depth of the weak cation ion exchange resin was 15.24cm (6 inches). The D: h ratio of the bed was 4: 1. To demonstrate that the shallow bed could be operated without the prior art requirement of an overpressured bed, 15.24 cm (6 inches) of void 156 above the 132 bed was included in the cell design (see Figure 3).

A exaustão foi um fluxo para baixo em 500 volumes de leito porhora. Isso significa que um volume de suco foi tratado em uma hora, igual a500 volumes do leito de resina de troca de íons. A temperatura de operaçãofoi de 82°C. A regeneração foi um fluxo para baixo com aproximadamente0,07 N H2SO4 a 150 volumes de leito por hora.Exhaustion was a downward flow at 500 bed volumes per hour. This means that one juice volume was treated within one hour, equal to 500 volumes of the ion exchange resin bed. The operating temperature was 82 ° C. Regeneration was a downward flow with approximately 0.07 N H 2 SO 4 at 150 bed volumes per hour.

O amolecimento foi inteiramente satisfatório com a célula rasa,em comparação com um sistema industrial convencional. O produto amole-cido compósito foi tipicamente de 0 a 0,02 grama de CaO /100 gramas desubstância seca, o qual se coaduna com as exigências da indústria parasuco fino amolecido. Comumente, seria esperado que uma coluna rasa deresina perdesse a dureza, devido à turbulência e à cinética ruim, particular-mente se a vazão / unidade de resina fosse aumentada em um fator de 10.Entretanto, o projeto raso desta invenção permitiu excelentes resultados a10 vezes a vazão de alimentação convencional. A razão é que o aparelhomanteve um escoamento de fluido não turbulento e completamente homo-gêneo. Também, a profundidade baixa do leito reduziu a vazão linear, demodo que a cinética ainda foi aceitável. Se o mesmo volume de leito fosseconfigurado da maneira vertical convencional e a vazão aumentada comoneste teste, a velocidade linear teria sido alta demais para uma cinéticaapropriada de troca de íons. O fluido teria passado muito rapidamente diante das contas de resina, desse modo interferindo com a transferência de massa.Notou-se também que um leito alto convencional nas vazões altas deste testeteria resultado em uma perda de pressão extremamente alta através do leito.Softening was entirely satisfactory with the shallow cell compared to a conventional industrial system. The composite soft acid product was typically from 0 to 0.02 grams of CaO / 100 grams of dry substrate, which is in line with the requirements of the softened soft parasol industry. Commonly, a shallow deresine column would be expected to lose hardness due to turbulence and poor kinetics, particularly if the resin flow / unit was increased by a factor of 10. However, the shallow design of this invention allowed excellent results a10. times the conventional feed rate. The reason is that the apparatus maintained a completely homogeneous non-turbulent fluid flow. Also, the low bed depth reduced the linear flow rate, so the kinetics were still acceptable. If the same bed volume had been configured in the conventional vertical manner and the increased flow as in this test, the linear velocity would have been too high for an appropriate ion exchange kinetics. The fluid would have passed very quickly in front of the resin beads, thereby interfering with mass transfer. It was also noted that a conventional high bed at the high flow rates of this tester would result in extremely high pressure loss across the bed.

A seguir, há uma comparação do estado da técnica de amoleci-mento de suco de cátion fraco versus a operação de célula rasa desta in- venção. Os dois sistemas foram operados lado a lado em uma instalaçãoindustrial, de modo que a comparação inclui ter um material de alimentaçãoexatamente comparável.<table>table see original document page 18</column></row><table>Following is a comparison of the state of the art of weak cation juice softening versus the shallow cell operation of this invention. Both systems were operated side by side in an industrial installation, so the comparison includes having an exactly comparable feed material. <table> table see original document page 18 </column> </row> <table>

Note que a célula rasa reduziu a altura do leito de resina reque-rida em 85%. Isso corresponde à observação feita de que o uso desta inven-ção, geralmente, reduz uma dada profundidade de leito de processo em pelomenos 70%.Note that the shallow cell reduced the height of the required resin bed by 85%. This corresponds to the observation that the use of this invention generally reduces a given process bed depth by at least 70%.

Vários benefícios foram observados neste teste piloto. Em pri-meiro lugar, a vazão através da célula rasa foi 10 vezes maior, se compara-da com um equipamento convencional. É notado que a literatura se refere asistemas de produtividade de resina muito alta, exatamente nesta aplicação,provendo um máximo de 50 volumes de leito / hora de vazão de exaustão.Entretanto, com o aparelho de célula rasa, o escoamento de alimentação éaumentado em uma ordem de magnitude.Several benefits were observed in this pilot test. First, the flow through the shallow cell was 10 times higher compared to conventional equipment. It is noted that the literature refers to very high resin productivity systems, exactly in this application, providing a maximum of 50 bed volumes / hour of exhaust flow. However, with the shallow cell apparatus, the feed flow is increased by a order of magnitude.

Devido ao fato de a produtividade ser aumentada em 10 vezes,a quantidade de resina requerida é reduzida em 10 vezes. Isso significa quea quantidade de resina é muito pequena e os custos de capital correspon-dentes serão pequenos. Neste teste, note a redução de 85% na exigência deresina. A quantidade muito pequena de resina também significa que o tama-nho do equipamento é diminuído em cerca de 10 vezes, resultando, portan-to, em menor custo de equipamento e na provisão de economias valiosasnas exigências de espaço de equipamento.Devido à perda de pressão através do leito ter sido reduzida emcerca de 95% a 98%, foi possível usar um vaso de pressão muito baixa. Issosignifica que uma construção de parede fina de baixo custo pode ser usada,ou se tem à mão a opção de usar materiais de baixo custo não comumenteadequados para vasos de pressão, por exemplo, plásticos de baixo custo. Aperda de pressão baixa do leito também eqüivale a menor uso de energiarequerido para um bombeamento de fluido.Because productivity is increased by 10 times, the amount of resin required is reduced by 10 times. This means that the amount of resin is very small and the corresponding capital costs will be small. In this test, note the 85% reduction in deresin requirement. The very small amount of resin also means that the size of the equipment is reduced by about 10 times, thus resulting in lower equipment cost and the provision of valuable savings in equipment space requirements. Since the pressure through the bed was reduced by about 95% to 98%, it was possible to use a very low pressure vessel. This means that a low-cost thin-wall construction can be used, or if you have the option of using inexpensive, noncommonly suitable materials for pressure vessels, for example, low-cost plastics. Low bed pressure pressure also equals lower energy use required for fluid pumping.

A ciclagem rápida, mas eficiente, do teste sugere que um equi-pamento periférico muito menor pode ser usado, porque os tanques de ar-mazenamento para um material, tal como o regenerador e a perda de rege-( nerador, precisam armazenar apenas 1/10 da quantidade convencional dematerial.Rapid but efficient cycling of the test suggests that much smaller peripheral equipment may be used, because storage tanks for a material such as regenerator and regeneration loss need to store only 1 / 10 of the conventional amount of material.

É importante compreender que se o volume do leito no exemplopiloto for aumentado de tamanho, para permitir o tratamento de uma quanti- dade maior de material de alimentação, a profundidade muito curta do leitopermanecerá, ou será ainda diminuída. O volume do leito adicional é au-mentado aumentando-se a largura da coluna. Isto é contrário aos métodosde escalonamento usuais, os quais se baseariam no aumento do volume doleito pela adição de altura ao leito.It is important to understand that if the bed volume in the pilot sample is increased in size to allow treatment of a larger amount of feed material, the very short depth of the piglet will remain or be further reduced. The additional bed volume is increased by increasing the column width. This is contrary to the usual scheduling methods, which would be based on increasing the volume of the bed by adding height to the bed.

Note que este exemplo também demonstrou que um leito sobre-prensado não é requerido para a operação desta invenção. Isso é indicadopelo fato de que uma fluidização de fluxo para cima da resina foi possível(expansão em 100%), sem efeitos prejudiciais sobre as etapas de regenera-ção ou de exaustão subseqüentes.Note that this example also demonstrated that an overpressured bed is not required for the operation of this invention. This is indicated by the fact that upward flow fluidization of the resin was possible (100% expansion) with no detrimental effects on subsequent regeneration or exhaustion steps.

Note, também, que este exemplo demonstrou que a perda depressão do leito não é necessária para se causar a distribuição de fluidouniforme requerida. De fato, a perda de pressão do leito foi reduzida paraapenas 10,34 kPa (1,5 psi), se comparada com a faixa convencional de344,74 a 551,58 kPa (50-80 psi). Portanto, o presente aparelho opera a umaperda de pressão do leito reduzida em um fator de pelo menos 30, se com-parado com os dispositivos convencionais. Mesmo a uma perda de pressãode 34,47 kPa (5 psi) através do leito, o presente dispositivo reduz a perda depressão de processamento em pelo menos uma ordem de magnitude da-quela requerida por um aparelho convencional.Note, too, that this example demonstrated that loss of bed depression is not necessary to cause the required fluid distribution. In fact, the bed pressure loss was reduced to only 10.34 kPa (1.5 psi) compared to the conventional range of 344.74 to 551.58 kPa (50-80 psi). Therefore, the present apparatus operates at a reduced bed pressure loss by a factor of at least 30 compared to conventional devices. Even at a 34.47 kPa (5 psi) pressure loss across the bed, the present device reduces the loss in processing depression by at least one order of magnitude required by a conventional apparatus.

Exemplo 2 - Flexibilidade de Construção para um Escalonamento Progres-sivamente FinoExample 2 - Construction Flexibility for Progressively Fine Scheduling

Esta invenção pode ser aplicada por toda a faixa de escalas deprocessamento de fluido, desde aplicações em escala muito pequena até umuso industrial em escala muito grande. A razão para isso é que as estruturasfractais usadas em combinação com o projeto de célula rasa / leito raso pro-vêem uma função de escalonamento contínua, conforme a escala de aplica-ção mudar.This invention can be applied across the full range of fluid processing scales, from very small scale applications to very large industrial use. The reason for this is that the fractional structures used in combination with the shallow cell / shallow bed design provide a continuous scaling function as the application scale changes.

Técnicas auxiliadas por computador de usinagem, moldagem econstrução de conduto são apropriadas para a construção dos fractais. En-tretanto, devido ao fato de esta invenção permitir uma redução praticamentesem limite e progressiva da profundidade do leito de processamento, podeocorrer o problema prático de como fabricar uma estrutura de escalona-mento progressivamente mais fina.Computer-aided machining, molding and conduit construction techniques are suitable for fractal construction. However, because this invention allows for a practically limitless and progressive reduction of the processing bed depth, the practical problem of how to fabricate a progressively finer scheduling structure may arise.

Para demonstrar a aplicação prática desta invenção, um tipo defractal como na Figura 6 com um tamanho de aspecto muito pequeno foiconstruído, usando-se estereolitografia. O fractal foi projetado com um diâ-metro de saída final de 0,381 mm (0,015 polegada). Para esta aplicação decélula rasa, o fractal foi projetado como 10 placas. As placas foram, então,fabricadas como uma parte monolítica. A estereolitografia é uma técnica aqual permite um tamanho de aspecto muito fino.To demonstrate the practical application of this invention, a defractal type as in Figure 6 with a very small aspect size was constructed using stereolithography. The fractal was designed with a final output diameter of 0.381 mm (0.015 inch). For this shallow cell application, the fractal was designed as 10 plates. The plates were then manufactured as a monolithic part. Stereolithography is an aqual technique that allows for a very thin aspect size.

Para demonstrar, adicionalmente, que esta invenção é fabricada,de forma prática, nas escalas muito pequenas as quais provêem uma pro-fundidade de leito progressivamente mais larga e mais rasa, um fractal idên-tico foi fabricado usando-se a técnica de ataque fotoquímico. Este métodointroduz opções de material adicionais, tais como aço inoxidável e outrosmetais.To further demonstrate that this invention is practically fabricated on very small scales which provide progressively wider and shallower bed depth, an identical fractal was fabricated using the photochemical etching technique. . This method introduces additional material options such as stainless steel and other metals.

É notado que uma técnica de fabricação particular não é reque-rida para a realização desta invenção, estes exemplos apenas sugerem aflexibilidade e a praticabilidade imediata da construção. Técnicas de fabrica-ção a laser, microusinagem, métodos de construção com nanotecnologia,deposição de íon, etc., são apropriadas, e é reconhecido que técnicas defabricação futuras para uma estrutura em pequena escala serão, provavel-mente, adequadas para a obtenção da pouca profundidade desejada doaparelho.It is noted that a particular manufacturing technique is not required for carrying out this invention, these examples only suggest the flexibility and immediate practicality of the construction. Laser fabrication techniques, micromachining, nanotechnology construction methods, ion deposition, etc. are appropriate, and it is recognized that future fabrication techniques for a small scale structure are likely to be suitable for obtaining the desired shallow depth of the appliance.

Aplicabilidade desta Invenção a Processos de Célula MúltiplaApplicability of this Invention to Multiple Cell Processes

Embora o aparelho de célula rasa desta invenção possa serusado em aplicações de célula única, uma finalidade chave desta invenção éusar essas células em configurações de célula múltipla. Os processos dediminuição de profundidade de célula múltipla resultarão nos mesmos bene-fícios de alta produtividade, reduções de custo, etc.Although the shallow cell apparatus of this invention may be used in single cell applications, a key purpose of this invention is to use such cells in multiple cell configurations. Multiple cell depth reduction processes will result in the same benefits of high productivity, cost savings, etc.

Os exemplos de configurações de células múltiplas, as quais sebeneficiarão da substituição de células convencionais pelas células rasasdesta invenção incluem:Examples of multiple cell configurations which will benefit from replacing conventional cells with shallow cells of this invention include:

1. Um processamento de fluido do tipo em série primário / se-cundário / etc.. Nessas operações, o fluido escoa para fora de uma dadacélula e, então, é tratado em uma segunda e/ou uma terceira, etc.1. A primary / secondary / serial type fluid processing / etc .. In these operations, the fluid flows out of a cell and then treated in a second and / or a third, etc.

2. Tecnologia de leito móvel simulada. Neste tipo de processo, ofluido passa através de 2 ou mais leitos ou de seções especificadas de ma-terial estacionário. O movimento do leito, tipicamente, é simulado usando-seuma comutação de válvula.2. Simulated moving bed technology. In this type of process, the fluid passes through 2 or more beds or specified sections of stationary material. Bed movement is typically simulated using its valve switching.

3. Sistemas tipo de carrossel. Neste tipo de sistema, são monta-das colunas em uma mesa rotativa ou um carrossel, e giram em torno de umeixo de guia central e uma válvula de distribuição central.3. Carousel type systems. In this type of system, columns are mounted on a rotary table or a carousel, and rotate around a center guide shaft and a central distribution valve.

Note que essas sugestões de uso de célula múltipla não têm porfinalidade limitar a aplicabilidade da invenção. Esta invenção, em geral, é útilcomo um substituto para processos de fluido de profundidade de leito con-vencionais. A presente invenção pode ser realizada em outras formas espe-cíficas, sem se desviar de seu espírito ou características essenciais. As mo-dalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos apenascomo ilustrativas e não restritivas. O escopo da invenção, portanto, é indica-do pelas reivindicações em apenso, ao invés de pela descrição precedente.Todas as mudanças as quais caiam no significado e na faixa de equivalênciadas reivindicações devem ser envolvidas no seu escopo.Note that these suggestions for multiple cell use are not intended to limit the applicability of the invention. This invention is generally useful as a substitute for conventional bed depth fluid processes. The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. The described modalities should be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the invention, therefore, is indicated by the appended claims rather than the foregoing description. Any changes which fall into the meaning and equivalence range of the claims should be involved in its scope.

Claims (14)

1. Sistema de processamento de fluido, que compreende:um primeiro leito de resina (132) com uma extremidade de en-trada, uma extremidade de saída e um diâmetro igual a pelo menos duasvezes a distância entre a referida extremidade de entrada e a referida extre-midade de saída;um primeiro distribuidor de fluido (128) construído e dispostopara introduzir fluido na referida extremidade de entrada do leito de resina(132); eum primeiro coletor de fluido (136) disposto em um nível inferiorem relação ao referido primeiro leito de resina para coletar o fluido proces-sado uma vez na referida extremidade de saída do referido leito de proces-samento;caracterizado pelo fato de que:o primeiro coletor (136) é disposto em um posição de imagem deespelho em relação ao primeiro distribuidor (128),o primeiro distribuidor (128) é construído e disposto para coletaro fluido processado uma vez que sai da extremidade de saída do leito deresina (132); eo distribuidor (128) e o leito de resina (132) definem, entre si, umespaço vazio (156) de retrolavagem e de operação contínua da operação deleito fluidizado.A fluid processing system comprising: a first resin bed (132) with an inlet end, an outlet end and a diameter equal to at least two times the distance between said inlet end and said outlet end: a first fluid dispenser (128) constructed and disposed to introduce fluid at said inlet end of the resin bed (132); a first fluid collector (136) disposed lower than said first resin bed to collect the once processed fluid at said outlet end of said processing bed; characterized in that: the first manifold (136) is arranged in a mirror image position relative to the first manifold (128), the first manifold (128) is constructed and arranged to collect the processed fluid once it exits the outlet end of the deresin bed (132); and the dispenser (128) and the resin bed (132) each define a continuous backwash and continuous operating void (156) of fluidized delight operation. 2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o referido coletor (136) é construído e disposto para coletar fluidoatravés de entradas de coleta a uma densidade de pelo menos 2.153 pormetro quadrado (200 por pé quadrado).System according to claim 1, characterized in that said manifold (136) is constructed and arranged to collect fluid through collection ports at a density of at least 2,153 square perimeter (200 per square foot). 3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o referido distribuidor (128) e o referido coletor (136) são fractais.System according to claim 1, characterized in that said distributor (128) and said collector (136) are fractal. 4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a relação de diâmetro para altura do referido leito de resina (132)é de pelo menos 10:1.System according to claim 1, characterized in that the diameter to height ratio of said resin bed (132) is at least 10: 1. 5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de ser construído e disposto para a produção de condições de escoa-mento de processamento com uma perda de pressão através do referidoleito (132) de menos de 34,47 kPa (5 psi).System according to Claim 1, characterized in that it is constructed and arranged for the production of process flow conditions with a pressure loss across said bed (132) of less than 34.47 kPa (5 psi). ). 6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de compreender ainda:um segundo leito de resina (132) com um lado de entrada, umlado de saída e um diâmetro igual a pelo menos duas vezes a distância en-tre o referido lado de entrada e o referido lado de saída;um segundo distribuidor de fluido (128) construído e dispostopara introduzir o referido fluido processado uma vez no referido lado de en-trada do referido segundo leito, o referido segundo distribuidor tendo umadensidade de pelo menos 2.153 saídas de distribuição por metro quadrado(200 saídas de distribuição por pé quadrado); eum segundo coletor de fluido (136) construído e disposto paracoletar o fluido processado duas vezes no referido lado de saída do referidosegundo leito de resina (132).The system of claim 1 further comprising: a second resin bed (132) with an inlet side, an outlet side and a diameter equal to at least twice the distance between said one. inlet side and said outlet side, a second fluid distributor (128) constructed and arranged to introduce said once processed fluid into said inlet side of said second bed, said second distributor having a density of at least 2,153 distribution outputs per square meter (200 distribution outputs per square foot); and a second fluid collector (136) constructed and arranged to collect the processed fluid twice on said outlet side of said second resin bed (132). 7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que cada um dos referidos primeiro e segundo distribuidores de flui-do (128) compreende uma estrutura fractal.System according to claim 6, characterized in that each of said first and second fluid distributors (128) comprises a fractal structure. 8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que cada um dos referidos primeiro e segundo coletores de fluido(136) compreende uma estrutura fractal.System according to claim 7, characterized in that each of said first and second fluid collectors (136) comprises a fractal structure. 9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de que um elemento fractal recursivo pode ser visto como tendo umformato em "H".System according to claim 8, characterized by the fact that a recursive fractal element can be viewed as having an "H" format. 10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o referido primeiro distribuidor de fluido (128) é construído edisposto para introduzir fluido na mencionada extremidade de entrada doleito de resina (132) e inclui uma pluralidade de condutos (172), cada condu-to (172) sendo dividido em pluralidades sucessivas de ramificações de con-duto (174, 176), dispostas em gerações.A system according to claim 1, characterized in that said first fluid distributor (128) is constructed and arranged to introduce fluid into said resin soft inlet end (132) and includes a plurality of conduits (172). , each conduit (172) being divided into successive pluralities of conduit branches (174, 176) arranged in generations. 11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que cada geração de ramificações de conduto (174, 176) estádisposta em um plano separado dos condutos de uma respectiva geraçãoanterior e de uma respectiva geração posterior de ramificações de conduto.System according to Claim 10, characterized in that each generation of conduit branches (174, 176) is arranged in a separate plane from the conduits of a respective prior generation and a respective subsequent generation of conduit branches. 12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que cada ramificação de conduto possui uma saída de distribuição.System according to claim 11, characterized in that each conduit branch has a distribution outlet. 13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o referido primeiro distribuidor de fluido (128) possui umadensidade maior do que cerca de 2.153 por metro quadrado (200 por pole-gada quadrada).System according to claim 12, characterized in that said first fluid distributor (128) has a density greater than about 2,153 per square meter (200 per square pole). 14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o referido distribuidor inclui uma pluralidade de saídas orien-tadas em direções diferentes da direção de fluxo de fluido proveniente dodistribuidor no sentido do leito de resina.System according to claim 1, characterized in that said dispenser includes a plurality of outlets oriented in different directions from the fluid flow direction from the dispenser towards the resin bed.
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